Знание – силаНаука

Джон Тиндаль и уникальные свойства паров воды: физика и метафизика

Борис Булюбаш

Джон Тиндаль – физик-экспериментатор и публичный интеллектуал викторианской Англии – известен прежде всего открытием уникального свойства водяного пара задерживать инфракрасное излучение. Именно с этого открытия началось изучение парникового эффекта. Круг интересов Тиндаля был необычайно широким. Его мировоззрение формировалось не только в университетских лабораториях Марбурга и Берлина; Тиндаль был поклонником историка Карлейля, поэтов Эмерсона и Гёте – выдающихся мыслителей XIX столетия. Профессор Королевского института в Лондоне (его предшественником на этой должности был Майкл Фарадей), Тиндаль также известен как харизматический лектор и автор научно-популярных книг, переведенных на основные европейские языки и изданных в том числе в Китае и Индии. А еще он был одним из первых альпинистов… В настоящее время в Англии издается 15‑томное собрание писем Джона Тиндаля.

За пределами видимого спектра

Тепловое излучение открыл в 1800 году английский астроном Уильям Гершель. Выясняя температуру различных участков солнечного спектра, он обнаружил, что ее максимальное значение достигается за пределами видимого спектра – на участке, непосредственно прилегающем к его красной границе. В настоящее время это излучение называется инфракрасным; в XIX веке его, как правило, называли тепловым.

На протяжении нескольких десятилетий тепловое излучение («лучистая теплота») было объектом разнообразных исследований, показавших, что свойства тепловых лучей не отличаются от свойств видимого света. Основные результаты в этих исследованиях были получены итальянским физиком Мачедонио Меллони¹ и немецким физиком Германом Кноблаухом². Кноблаух был соавтором Тиндаля по первым работам диамагнитного цикла.

¹Мачедонио Меллони (1798—1854) – итальянский физик, член Лондонского королевского общества. Исследовал тепловое излучение. Открыл поляризацию теплового излучения.

² Карл Германн Кноблаух (1820—1895) – немецкий физик. Президент Академии «Леопольдина». Наблюдал дифракцию теплового излучения. Показал, что различие между тепловым излучением и видимым светом определяется длиной волны.

Лучи тепловые и световые

Меллони, в частности, продемонстрировал интерференцию тепловых лучей и применимость в их случае законов преломления и отражения. По аналогии с видимым светом Меллони ввел понятия теплопрозрачных и теплонепрозрачных веществ. С этой точки зрения были исследованы различные жидкие и твердые вещества.

Основные результаты, полученные Меллони, были опубликованы в Неаполе в 1842 году, а в 1846‑м на заседании Физического общества в Берлине Кноблаух продемонстрировал дифракцию тепловых лучей.

Неизученными с точки зрения их теплопрозрачности оставались газы. Одной из причин этого была недостаточная чувствительность экспериментальной установки Меллони. Визуально прозрачные газы, на первый взгляд, не казались серьезными препятствиями для теплового излучения… Что-то определенное, впрочем, можно было утверждать только по результатам эксперимента. Тема ждала своего исследователя; им и стал Джон Тиндаль. Чем руководствовался 38‑летний профессор Королевского института в Лондоне, когда выбирал направление для своих дальнейших исследований?

Несомненно, имело значение экспертное мнение. О «громадном научном значении» экспериментов Меллони заявил Майкл Фарадей. Участие знаменитого английского физика в «истории успеха» Меллони было весьма существенным. Следует иметь в виду, что многочисленные эксперименты Меллони с тепловыми лучами были в свое время встречены научным сообществом без особого интереса; ситуация изменилась благодаря Фарадею. Вот что рассказывает об этом сам Тиндаль в своем очерке о Фарадее: «С разочарованной надеждой Меллони ожидает отчета комиссии, назначенной академией наук для проверки его работы. Наконец он публикует свои исследования в «Annales de chimie et de physique». Таким образом они попали в руки Фарадея, который тотчас же признает за этой работой громадное научное значение (выделено мною. Б. Б.) и хлопочет для автора Румфордскую медаль Королевского общества. С этой наградой соединялась всегда и некоторая денежная сумма; она в это время была более существенной для молодого эмигранта, чем почетный знак».

Для Тиндаля еще одним аргументом «за» исследования газов был начавшийся «роман с Альпами». Горная страна идеально подходила для изучения взаимодействия атмосферных газов с излучением Солнца и нагретой Солнцем Земли. Исследование теплопрозрачности газов должно было частично проходить в лаборатории, частично – в полевых условиях. Альпы были подходящим местом для полевых исследований в силу разнообразия температур, давлений и влажности.

В Альпах Тиндаль испытывал эмоциональный подъем, он вообще считал эмоционально нейтральную науку невозможной: «Я убежден, что у обычного человека его интеллектуальную деятельность… поддерживает невидимый поток эмоций. Я думаю, что попытки отделить в человеке моральное и эмоциональное от его интеллектуальной деятельности обречены на неудачу».

Источником «потока эмоций», который поддерживал Тиндаля, была не только природа Альп. Он сам неоднократно подчеркивал, что его мировосприятие формировалось под сильным влиянием поэта и философа Ральфа Эмерсона³, поэта и естествоиспытателя Иоганна Гёте⁴ и философа и эссеиста Томаса Карлейля⁵… Тиндаль постоянно ссылается на них; более того, он считает, что только благодаря своевременному знакомству с их творчеством он состоялся как «человек науки».

³Ральф Уолдо Эмерсон (1803—1882) – американский поэт, философ, эссеист. Автор эссе «Природа». Бога и природу, по его мнению, нужно воспринимать посредством вдохновения (англ. insight) и наслаждения (англ. delight), а не через исторические тексты. Восхваляет природу как «плантацию Бога».

⁴Иоганн Вольфганг Гёте (1749—1832) – немецкий поэт, драматург и естествоиспытатель. Наибольшую известность получила его трагедия «Фауст». Опубликовал ряд работ по биологии и физике.

⁵Томас Карлейль (1795—1881) – британский писатель, историк и философ. Автор сочинения «Герои, почитание героев и героическое в истории». Автор высказывания «Всякую революцию задумывают романтики, осуществляют фанатики, а пользуются ее плодами отпетые негодяи».

Воображение как научный инструмент

На всем протяжении своей научной биографии физик-экспериментатор Тиндаль, естественно, стремился повысить точность своих измерений и обеспечить их устойчивость. При этом сверхзадачу каждого исследования он видел в другом – в объяснении изучаемого явления на молекулярном уровне. Это относится и к исследованию диамагнетиков, и к выяснению причины движения ледников в Швейцарских Альпах. Учитывая, что непосредственно подтвердить или опровергнуть такое объяснение было невозможно (разрешение микроскопов было для этого недостаточным), сформировать его можно было только с помощью воображения.

Эту тему – «воображение в научном исследовании» – Тиндаль считал исключительно важной; широкую известность приобрел его доклад «Научное использование воображения » («Scientific Use of the Imagination »), произнесенный на еже-годном собрании Британской Ассоциации развития науки в Ливерпуле в 1870 году.